張 毅,江成玉

(1.貴州大學(xué)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550025;2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

近年來(lái),隨著采煤機(jī)械化水平不斷提高,煤礦開(kāi)采強(qiáng)度隨之增加,沖擊地壓等災(zāi)害發(fā)生頻繁[1-3]。為有效防止煤礦沖擊災(zāi)害發(fā)生,在沖擊地壓研究方面已由機(jī)理兼顧現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[4-7]。

在煤巖沖擊傾向性測(cè)試方面,專家學(xué)者做了大量研究工作,崔峰等[8]以準(zhǔn)東二礦巨厚強(qiáng)沖擊傾向性煤層首分層1101 綜放工作面為背景,采用理論分析及物理相似模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的綜合分析方法,對(duì)不同開(kāi)采強(qiáng)度下覆巖采動(dòng)應(yīng)力、能量演化規(guī)律展開(kāi)分析,并評(píng)估了不同開(kāi)采強(qiáng)度下煤巖體沖擊危險(xiǎn)性;通過(guò)對(duì)煤層動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、單軸抗壓強(qiáng)度、沖擊能量速度指數(shù)、沖擊臨界軟化系數(shù)6 種沖擊危險(xiǎn)性指標(biāo)的描述和總結(jié),對(duì)煤體沖擊傾向性進(jìn)行了梳理;Hu等[9]通過(guò)對(duì)天湖花崗巖進(jìn)行真三軸卸荷地壓試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究開(kāi)挖后圍巖地壓傾向性和裂縫發(fā)育特征,通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)沖擊地壓應(yīng)力路徑進(jìn)行監(jiān)測(cè),確定沖擊地壓應(yīng)力,根據(jù)巖爆聲發(fā)射監(jiān)測(cè)頻率和幅值的演化規(guī)律,分析了巖爆破片的形態(tài)特征;丁鑫等[10]以非均勻性統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)構(gòu)建了煤巖本構(gòu)關(guān)系及損傷演化方程,探討了不同沖擊傾向煤巖受載過(guò)程的損傷演化規(guī)律,基于分形理論構(gòu)建了新的耗散能計(jì)算公式;譚椏杰等[11]鑒于煤層沖擊傾向性研究對(duì)沖擊礦壓評(píng)價(jià)的重要性,在此針對(duì)永紅煤礦進(jìn)行了沖擊傾向性鑒定;孫如達(dá)等[12]對(duì)不同尺度的煤體試樣進(jìn)行了沖擊傾向性試驗(yàn),輔以聲發(fā)射系統(tǒng)、DIC 散斑系統(tǒng)、光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以觀測(cè)不同尺度煤試件損傷破壞特性。

在沖擊抵押防治方面,張丁丁[13]根據(jù)高位鉆場(chǎng)施工散射狀爆破鉆孔至沖擊地壓主關(guān)鍵層后進(jìn)行頂板爆破,破壞沖擊地壓關(guān)鍵層位的完整性,降低關(guān)鍵層位大面積懸頂造成的靜載以及其達(dá)到極限跨距后斷裂、滑移造成的動(dòng)載;Cai[14]通過(guò)能量分析發(fā)現(xiàn),人工地震與自然地震在能量值與爆發(fā)震級(jí)的關(guān)系等許多方面具有相似的規(guī)律,利用天然地震能量與震級(jí)的關(guān)系,利用擾動(dòng)能量分析方法預(yù)測(cè)巖爆,應(yīng)用上述理論和技術(shù)對(duì)中國(guó)某金礦巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)。最后,在了解巖爆機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出了巖爆防治技術(shù);郝旭東[15]以大興煤礦2北206工作面為研究對(duì)象,采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究方法探究了工作面回采期間沖擊地壓分區(qū)、治理措施和效果;Dou等[16]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外巖爆監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和防治的理論和技術(shù),主要包括巖爆監(jiān)測(cè)方面的分區(qū)和找平預(yù)測(cè)方法、電磁輻射技術(shù)、彈性波和地震波計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù),以及巖爆防治方面的強(qiáng)度弱化理論、強(qiáng)-軟-強(qiáng)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、定向水力壓裂技術(shù)、巷道支護(hù)系統(tǒng)等;劉超等[17]以濟(jì)寧市金橋煤礦1304 工作面為工程背景,通過(guò)分析該工作面鄰近終采線梯形煤柱形成沖擊危險(xiǎn)的主要影響因素,結(jié)合微震監(jiān)測(cè)、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)及預(yù)卸壓效果分析,建立了相適應(yīng)的支護(hù)和卸壓方案;Song等[18]為了探索巖爆防治的新思路,研究了熵方程與耗散結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,提出了巖爆活動(dòng)系統(tǒng)的概念,并對(duì)其熵進(jìn)行了分析;Dou等[19]通過(guò)理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模擬等手段,建立了煤巖變形破壞的彈塑性脆性模型,較好地預(yù)測(cè)了突發(fā)性和遲發(fā)性地壓,基于煤巖組合試樣從變形到?jīng)_擊破裂過(guò)程中的電磁發(fā)射(EME)、聲發(fā)射(AE)和微震(MS)效應(yīng),在很大程度上依賴于這3種發(fā)射形式,形成了一種多參數(shù)識(shí)別預(yù)警技術(shù)。從而建立了巖爆預(yù)測(cè)的時(shí)空分類體系,提出了巖爆強(qiáng)度弱化理論和控制巷道圍巖沖擊的強(qiáng)-軟-強(qiáng)(3S)結(jié)構(gòu)模型;Zhu等[20]開(kāi)發(fā)微地震數(shù)據(jù)處理和解釋的創(chuàng)新方法,利用處理后的高質(zhì)量微震資料,定量評(píng)價(jià)了試驗(yàn)場(chǎng)的水力壓裂程度。

上述研究對(duì)煤巖沖擊傾向性及沖擊地壓防治起到促進(jìn)作用,一定程度為煤礦安全高效開(kāi)采奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此,筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)綜合研究手段,首先對(duì)煤巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),得到煤巖沖擊傾向性。其次通過(guò)微震監(jiān)測(cè)、鉆孔卸壓等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段,分析采煤工作面推進(jìn)過(guò)程中微震事件分布及應(yīng)力演化規(guī)律。研究結(jié)果為類似工程地質(zhì)條件沖擊防治提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 工作面開(kāi)采條件

某礦30202輔運(yùn)運(yùn)輸巷位于該礦礦井302盤區(qū)的東西部,如圖1所示,北臨3-1煤西翼大巷,西靠30203(未掘)工作面,東臨30202工作面(正采)。30202輔助運(yùn)輸巷全長(zhǎng)約1 177 m,巷道斷面為矩形,尺寸約為4.1 m×5.4 m,通過(guò)7條聯(lián)巷與30202帶式運(yùn)輸巷相連,目前所有聯(lián)絡(luò)巷均已完成密封措施。

圖1 輔助運(yùn)輸巷平面位置示意

1.2 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

巷道直接頂板為2.5 m泥質(zhì)粉砂巖,灰黑色,層厚狀,細(xì)粉砂狀結(jié)構(gòu),泥質(zhì)含量不均。平坦?fàn)?、參差狀斷?底部為1.0 m的細(xì)粒砂巖。巖石較硬,RQD(反映巖體強(qiáng)度和破碎程度的指標(biāo))值86%.巷道老頂為7.8 m細(xì)粒砂巖和14.89 m粗粒砂巖,其中,14.89 m粗粒砂巖產(chǎn)狀為灰色,略顯綠色,巨厚層狀,粗粒砂狀結(jié)構(gòu)。成分以石英為主,次為長(zhǎng)石和暗色礦物,含少量白云母碎片,分選性一般,泥鈣質(zhì)膠結(jié)。含大量煤質(zhì)條帶,向下粒度變細(xì)。局部巖芯破碎,巖芯較硬,RQD值78%;7.8 m細(xì)粒砂巖產(chǎn)狀為灰色,薄層狀,細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)。成分以石英為主,次為長(zhǎng)石和暗色礦物,含少量白云母,圓狀、分選性好,泥鈣質(zhì)膠結(jié)。顯水平層理和緩波狀層理。局部夾薄層粉砂巖。具少量滑面。巖芯較硬,RQD值78%.巷道底板為4.02 m泥巖,灰黑色,薄-中厚層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。質(zhì)純、致密,平坦?fàn)顢嗫?具少量滑面,顯水平層理和緩波狀層理,產(chǎn)大量植物化石。上部巖芯破碎,巖石較軟,RQD值40%.

2 煤巖沖擊傾向性

2.1 煤樣單軸壓縮試驗(yàn)

為測(cè)試煤巖沖擊傾向性,現(xiàn)場(chǎng)選取試樣,將其制作為50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣,進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)采用位移加載,加載速率為0.002 5 mm/s、0.005 mm/s及0.007 5 mm/s直到試件破壞。

圖2為煤巖體在單軸壓縮下應(yīng)力-應(yīng)變曲線,在壓縮過(guò)程中,煤樣經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形階段、峰值強(qiáng)度階段及殘余變形階段。煤樣開(kāi)始受力時(shí),內(nèi)部微裂紋閉合,因此在此階段煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)上凹。當(dāng)煤樣處于彈性變形階段時(shí),煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似直線。此外,圖中可以明顯觀察到,煤樣峰值強(qiáng)度隨著加載速率的增加而降低。

圖2 不同加載速率下煤應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 煤樣沖擊傾向性計(jì)算

1) 3-1煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果如表1所示。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T25217.2-2010《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法第2部分:煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測(cè)定方法》,鑒定3-1煤試樣單軸抗壓強(qiáng)度的沖擊傾向性為III類,即強(qiáng)沖擊傾向性。

表1 該礦井3-1煤沖擊傾向性鑒定結(jié)果

2) 3-1煤頂板的沖擊傾向性鑒定結(jié)果如表2所示。根據(jù)送檢巖樣測(cè)定數(shù)據(jù),礦井3-1煤的頂板巖層屬于II類,為弱沖擊傾向性的頂板巖層。

表2 礦井3-1煤頂板沖擊傾向性鑒定結(jié)果

3) 3-1煤底板的沖擊傾向性鑒定結(jié)果如表3所示。根據(jù)送檢巖樣測(cè)定數(shù)據(jù),鑒定該礦井3-1煤的底板巖層屬于II類,為弱沖擊傾向性的底板巖層。

表3 礦井3-1煤底板沖擊傾向性鑒定結(jié)果

3 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警及防治

3.1 沖擊地壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)

輔運(yùn)巷與采空區(qū)之間的28 m區(qū)段煤柱是影響02輔運(yùn)巷沖擊等級(jí)的危險(xiǎn)源頭,因此在02輔運(yùn)巷煤柱幫布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),按照深淺孔為一組進(jìn)行布置,每組布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn),組間距25 m,安裝深度8 m、14 m,安裝高度為距離底板1.2～1.5 m.如圖3所示,安裝孔徑42 mm(可根據(jù)選用設(shè)備調(diào)整)。實(shí)際布置方案應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備提供方出具的方案及所需要監(jiān)測(cè)的范圍確定。

圖3 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意

根據(jù)沖擊地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析02輔運(yùn)巷沖擊風(fēng)險(xiǎn),并采取相應(yīng)的措施。

3.2 沖擊地壓鉆屑法監(jiān)測(cè)

對(duì)于應(yīng)力預(yù)警、局部礦壓顯現(xiàn)的巷道區(qū)域進(jìn)行鉆屑法檢驗(yàn),具體的施工參數(shù)如下:孔徑78 mm,鉆孔深度15 m(具體可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整),距底板垂直距離1～1.5 m,單排布置,鉆孔方向與巷幫垂直,平行于煤層。用膠結(jié)袋收集鉆出的煤粉,用測(cè)力計(jì)稱量煤粉的重量,每鉆進(jìn)1 m測(cè)量1次鉆屑量。具體布置如圖4所示。

圖4 鉆孔布置的剖面示意

礦井鉆屑量臨界值的確定依據(jù)鉆屑法執(zhí)行的相關(guān)要求進(jìn)行。首先在監(jiān)測(cè)區(qū)域以外,不受采動(dòng)影響的附近煤層巷道中,施工若干孔深為3.5倍巷高,間距不小于10 m的鉆孔,記錄每孔每米鉆屑量,繪制出正常鉆屑量曲線,然后用加權(quán)平均法對(duì)其進(jìn)行處理,作為標(biāo)準(zhǔn)鉆屑量,在此基礎(chǔ)上,確定沖擊地壓危險(xiǎn)的鉆屑量臨界值。

如果檢測(cè)到的煤粉量超過(guò)確定的臨界指標(biāo),或出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、異響等動(dòng)力現(xiàn)象,則煤體處于臨界危險(xiǎn)狀態(tài),必須立即采取解危措施。在監(jiān)測(cè)到確有沖擊危險(xiǎn)時(shí),應(yīng)及時(shí)采取二次卸壓措施,并用鉆屑法再次監(jiān)測(cè)解危效果,直至消除沖擊危險(xiǎn)。

3.3 沖擊地壓局部防治解危

對(duì)于生產(chǎn)幫卸壓的目的主要為轉(zhuǎn)移高位巖層傳遞的部分靜態(tài)支承壓力和區(qū)段煤柱卸壓后的轉(zhuǎn)移應(yīng)力。主要針對(duì)沖擊體進(jìn)行卸壓解危,對(duì)02輔運(yùn)生產(chǎn)幫施工大直徑鉆孔卸壓,降低巷道淺部煤體整體的彈性模量,使集中應(yīng)力向煤體深處轉(zhuǎn)移。其卸壓措施如圖5所示。

圖5 卸壓措施

3.3.1 煤體大直徑鉆孔卸壓

對(duì)30202輔助運(yùn)輸巷道全巷道兩幫施工大直徑鉆孔卸壓,施工參數(shù)主要包括鉆孔直徑、孔深和孔間距。理論上分析,鉆孔直徑越大,排出的煤粉越多,鉆孔塑性半徑越大,卸壓效果越好,目前呼吉爾特礦區(qū)各礦使用的煤層卸壓鉆孔直徑均大于150 mm,防沖卸壓效果較好,而該礦施工的常規(guī)煤層卸壓鉆孔直徑為200 mm,并且本礦井的卸壓效果能夠滿足防沖要求。所以30202輔助運(yùn)輸巷兩幫施工煤層大直徑鉆孔直徑為200 mm.對(duì)于煤柱幫施工的大直徑鉆孔深度應(yīng)貫通彈性核區(qū),而根據(jù)第3章動(dòng)態(tài)支承壓力的分析,區(qū)段煤柱采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)約6 m,所以煤柱幫大直徑鉆孔深度設(shè)計(jì)為22 m.基于圓孔效應(yīng)分析,母杜柴登礦井3-1煤的巷道的影響半徑R≈5r0,則大直徑鉆孔合理間距為10r0,r0=200 mm,所以鉆孔間距取1 m為宜。卸壓鉆孔施工參數(shù)如表4所示。

表4 兩幫大直徑鉆孔卸壓參數(shù)

3.3.2 頂板深孔爆破

研究采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)選用采空區(qū)中部的鉆孔,而涉及具體的巷道頂板施工時(shí)應(yīng)當(dāng)選用最近的鉆孔柱狀圖,根據(jù)圖6,選擇02輔運(yùn)與02膠運(yùn)相接的斜巷附近的B12鉆孔作為02輔運(yùn)頂板深孔爆破的指導(dǎo)鉆孔,30202輔運(yùn)基本頂為36.36 m細(xì)粒砂巖,距煤層37.36 m存在59.16 m粗粒砂巖,厚硬砂巖巖性較為堅(jiān)硬,容易在30202采空區(qū)側(cè)形成大面積懸頂,這是區(qū)段煤柱應(yīng)力高度集中的力源。

圖6 B12鉆孔平面位置

綜上,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工難度和切頂高度需求,確定的切頂對(duì)象為煤層上覆0～36.86 m細(xì)粒砂巖和37.36～96.52 m的59.16 m粗粒砂巖,但爆破孔深度超過(guò)60 m時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大,所以在此僅處理59.16 m粗粒砂巖的下部范圍,根據(jù)理論分析“ILZ”的發(fā)育高度,確定59.16 m粗粒砂巖爆破范圍為下部15 m;回采活動(dòng)將會(huì)對(duì)30202面基本頂(36.86 m細(xì)粒砂巖)產(chǎn)生較大的破壞作用,基于圓孔效應(yīng)分析,母杜柴登礦井3-1煤內(nèi)的圓形巷道的影響半徑R≈5r0(r0為圓孔半徑),等效至本礦掘進(jìn)巷道的影響范圍為5×2.7=13.5 m,并且回采活動(dòng)對(duì)巷道頂板圍巖的破壞范圍遠(yuǎn)大于掘進(jìn)巷道,所以對(duì)于36.86 m細(xì)粒砂巖底部0～16.86 m不做處理,僅處理頂部20 m范圍。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),煤巖體抗壓強(qiáng)度隨加載速率增加呈降低趨勢(shì),同時(shí)煤樣測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)脆性破壞;

2) 通過(guò)煤巖沖擊傾向性測(cè)試,發(fā)現(xiàn)該礦井為強(qiáng)沖擊礦井,需要采取沖擊地壓防治措施;

3) 在監(jiān)測(cè)到確有沖擊危險(xiǎn)時(shí),應(yīng)及時(shí)采取二次卸壓措施,并用鉆屑法再次監(jiān)測(cè)解危效果,直至消除沖擊危險(xiǎn)。